Techno-economic analysis of large-scale production of e-methanol, via CO2- hydrogenation, in Power-to-X
(2023) KETM05 20231Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
- Abstract
- Global levels of carbon emissions are constantly rising causing irreversible damages to ecosystems. The heavy transport sector and the industrial sector are responsible for large amounts of the emissions on a yearly basis. Therefore, Power-to-X is presented as an alternative pathway for the production of industry standard chemical, in view of a green transition towards decarbonising emission-heavy sectors. Methanol is one of the desired end-products generated from a multitude of pathways within Power-to-X. Methanol, referred to as e-methanol if produced this way, are synthesised from hydrogen, produced by electrolysis powered from renewable sources, and captured carbon dioxide. Hence highlighting a green production of e- methanol.
This... (More) - Global levels of carbon emissions are constantly rising causing irreversible damages to ecosystems. The heavy transport sector and the industrial sector are responsible for large amounts of the emissions on a yearly basis. Therefore, Power-to-X is presented as an alternative pathway for the production of industry standard chemical, in view of a green transition towards decarbonising emission-heavy sectors. Methanol is one of the desired end-products generated from a multitude of pathways within Power-to-X. Methanol, referred to as e-methanol if produced this way, are synthesised from hydrogen, produced by electrolysis powered from renewable sources, and captured carbon dioxide. Hence highlighting a green production of e- methanol.
This project aims at evaluating different technologies in the production chain of e-methanol in order to do a techno-economic study of a plant configuration capable of producing 46,000 ton/year of e-methanol via green hydrogen and captured carbon dioxide. The technical evaluation showed that the best suited technologies for an e-methanol plant of this scale and configuration were hydrogen produced via a PEM electrolyser, compressed via mechanical multistage compressors, and distributed to a methanol synthesis plant together with carbon dioxide captured via amine-based absorption. A comprehensive simulation model of the methanol synthesis loop was developed with support of Aspen Plus, whilst the other process steps were estimated in a detailed economic analysis – with a basis in the capital- and operational cost associated with a large-scale commercialised e-methanol plant with an expected lifetime of 20 years of operation. The economic analysis showed that the levelized cost of methanol (LCoM) was 1041 €/ton, which is more than double the current market value price of methanol (400 €/ton). Additionally, the analysis showed that the net present value (NPV) of the e-methanol plant was negative 297 M€, if methanol was sold at the current market value, at the end of the project lifetime. The sensitivity analysis showed that electrical power consumption per produced kilogram of hydrogen and the current industrial price of electricity, had the largest effect on the NPV. However, a futuristic scenario was analysed where four parameters were changed based on forecasted values. This analysis showed that e-methanol production could become significantly profitable with a NPV of 111 M€ after the project lifetime. Hence justifying the growing interest of e-methanol production. (Less) - Popular Abstract (Swedish)
- Den ökande globala temperaturen och dess förödande irreversibla effekter på jordens ekosystem är en av mänsklighetens största utmaningar. Den största bidragande faktorn till temperaturökningen är våra ökande utsläpp av växthusgaser, såsom koldioxid, och andra föroreningar. Metrologiska världsorganisationen har estimerat att vi kommer accelerera förbi en temperaturökning på 3 °C år 2100, om vi fortsätter denna ökning av koldioxidutsläpp. Detta skulle innebära total planetär kris och vi skulle mest troligt få bevittna ett massutdöende av miljardtals livsformer här på planeten. Trots den stora utmaningen som vi alla står inför så säger generalsekreteraren för Förenta nationerna, António Guterres, följande i ett uttalande “the climate... (More)
- Den ökande globala temperaturen och dess förödande irreversibla effekter på jordens ekosystem är en av mänsklighetens största utmaningar. Den största bidragande faktorn till temperaturökningen är våra ökande utsläpp av växthusgaser, såsom koldioxid, och andra föroreningar. Metrologiska världsorganisationen har estimerat att vi kommer accelerera förbi en temperaturökning på 3 °C år 2100, om vi fortsätter denna ökning av koldioxidutsläpp. Detta skulle innebära total planetär kris och vi skulle mest troligt få bevittna ett massutdöende av miljardtals livsformer här på planeten. Trots den stora utmaningen som vi alla står inför så säger generalsekreteraren för Förenta nationerna, António Guterres, följande i ett uttalande “the climate emergency is a race we are losing, but it is a race we can win”. I dagsläget kommersialiseras teknologier som är ämnade att minska eller neutralisera utsläppen av koldioxid inom flertalet industrier. I dagsläget kommer majoriteten av de globala koldioxidutsläppen från energi-, industri- eller transportsektorn där fossilbaserade alternativ används. För att minimera påverkan och bromsa effekterna på klimatet är det därför nödvändigt att övergå till mer hållbara och grönare alternativ för energi-, material- och drivmedelsproduktion.
I denna studie presenteras Power-to-X som en lovande lösning för en sådan övergång, mer specifikt för en grönare produktion av metanol, benämns som e-metanol i denna bemärkelse. Metanol är en av världens mest producerade kemikalier och används som drivmedel inom den tunga transportsektorn och inom många processer inom läkemedels- och tillverkningsindustrin. Inom produktionen av e-metanol används teknologier för att producera energi från förnybara resurser som sedan används för att producera vätgas. Vätgasen, tillsammans med infångad koldioxid från rökgaserna som lämnar ett kraftverk, används sedan som reaktanter i en reaktor som producerar e-metanol. Processen är teoretiskt helt grön då överskottsenergi från gröna källor samt infångad koldioxid neutraliserar koldioxid avtrycket på klimatet.
Målet med arbetet var att undersöka om en storskalig produktion av e-metanol är ekonomiskt lönsam i dagsläget såväl som i framtiden för att kunna påvisa investeringsmöjligheter som skulle påskynda utvecklingen- och avancemanget av kommersialiseringen av teknologierna.
Resultaten visade att man i dagsläget skulle behöva sälja e-metanol för mer än ett dubbelt så högt pris som konventionell metanol producerad från fossila källor. Om e-metanolen skulle säljas för samma marknadsvärde som fossil-baserad metanol, skulle den ackumulerade kostanden, efter 20 år av produktion för en sådan e-metanolfabrik, vara 296 M€. Resultaten visade också att en sådan e-metanolfabrik skulle visa sig vara extrem lönsam i framtiden baserat på hårdare policys av koldioxid-utsläpp, förbättrad effektivitet, lägre elpris och växande efterfrågan av metanol. Detta bidrar till att en framtida e-metanolfabrik uppskattningsvis skulle genera en inkomst på 111 M€ efter en operativ period på 20 år. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9130293
- author
- Ahlbäck Ikonen, Jonathan LU
- supervisor
- organization
- course
- KETM05 20231
- year
- 2023
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- Power-to-X, E-methanol, Hydrogen Production, CO2-hydrogenation, Methanol Synthesis, Decarbonisation, Chemical Engineering
- language
- English
- id
- 9130293
- date added to LUP
- 2023-06-27 11:21:05
- date last changed
- 2023-06-27 11:21:05
@misc{9130293,
abstract = {{Global levels of carbon emissions are constantly rising causing irreversible damages to ecosystems. The heavy transport sector and the industrial sector are responsible for large amounts of the emissions on a yearly basis. Therefore, Power-to-X is presented as an alternative pathway for the production of industry standard chemical, in view of a green transition towards decarbonising emission-heavy sectors. Methanol is one of the desired end-products generated from a multitude of pathways within Power-to-X. Methanol, referred to as e-methanol if produced this way, are synthesised from hydrogen, produced by electrolysis powered from renewable sources, and captured carbon dioxide. Hence highlighting a green production of e- methanol.
This project aims at evaluating different technologies in the production chain of e-methanol in order to do a techno-economic study of a plant configuration capable of producing 46,000 ton/year of e-methanol via green hydrogen and captured carbon dioxide. The technical evaluation showed that the best suited technologies for an e-methanol plant of this scale and configuration were hydrogen produced via a PEM electrolyser, compressed via mechanical multistage compressors, and distributed to a methanol synthesis plant together with carbon dioxide captured via amine-based absorption. A comprehensive simulation model of the methanol synthesis loop was developed with support of Aspen Plus, whilst the other process steps were estimated in a detailed economic analysis – with a basis in the capital- and operational cost associated with a large-scale commercialised e-methanol plant with an expected lifetime of 20 years of operation. The economic analysis showed that the levelized cost of methanol (LCoM) was 1041 €/ton, which is more than double the current market value price of methanol (400 €/ton). Additionally, the analysis showed that the net present value (NPV) of the e-methanol plant was negative 297 M€, if methanol was sold at the current market value, at the end of the project lifetime. The sensitivity analysis showed that electrical power consumption per produced kilogram of hydrogen and the current industrial price of electricity, had the largest effect on the NPV. However, a futuristic scenario was analysed where four parameters were changed based on forecasted values. This analysis showed that e-methanol production could become significantly profitable with a NPV of 111 M€ after the project lifetime. Hence justifying the growing interest of e-methanol production.}},
author = {{Ahlbäck Ikonen, Jonathan}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Techno-economic analysis of large-scale production of e-methanol, via CO2- hydrogenation, in Power-to-X}},
year = {{2023}},
}